Cầu được chia loại chủ yếu theo cách kết cấu nhịp đưa tải trọng xuống móng: cầu dầm chịu uốn, cầu vòm chịu nén, cầu dây văng và cầu treo treo mặt cầu vào cáp, cầu khung liền dầm với trụ thành một khối. Vật liệu (thép, bê tông cốt thép, bê tông dự ứng lực, liên hợp thép – bê tông) là cách chia thứ hai, còn công năng (cầu đường bộ, đường sắt, cầu bộ hành, cầu tạm) là cách chia thứ ba.
Chọn loại cầu cho một vị trí không phải chuyện thẩm mỹ trước tiên. Kỹ sư nhìn vào chiều dài nhịp cần vượt, tĩnh không cho tàu thuyền hoặc xe chạy bên dưới, địa chất ở chỗ đặt móng, điều kiện thi công và tiền bảo trì về sau. Phần dưới đi qua từng loại theo đúng logic đó, để khi đứng trước một cây cầu bạn đọc được vì sao người ta làm nó như vậy.
Một nguyên lý chung: tải trọng đi đường nào xuống đất
Mọi cây cầu đều làm cùng một việc: nhận tải trọng của xe, người, gió, chính trọng lượng bản thân, rồi chuyển tất cả xuống nền đất qua móng. Khác nhau nằm ở con đường lực đi. Ở cầu dầm, tải làm dầm võng xuống; thớ dưới của dầm bị kéo, thớ trên bị nén, hai đầu dầm tựa lên gối và truyền lực thẳng đứng xuống mố, trụ. Ở cầu vòm, tải ép vòm lại thành một đường cong chịu nén, và chân vòm đẩy ngang ra hai bên, nên móng vòm phải chịu được lực xô ngang đó.
Cầu dây văng và cầu treo đưa tải theo đường khác hẳn. Mặt cầu được treo vào cáp; cáp chịu kéo, kéo về đỉnh tháp; tháp chịu nén rất lớn và đưa xuống móng. Riêng cầu treo dây võng còn cần hai khối neo khổng lồ ở hai bờ để giữ đầu cáp chủ, vì cáp chủ kéo ngang rất mạnh. Hiểu được con đường lực là hiểu vì sao cầu dây văng cần tháp cao, vì sao cầu vòm hợp với nơi bờ là đá cứng, và vì sao cầu dầm chiếm đa số cầu nhỏ và vừa.
Một hệ quả thực tế: vật liệu nào chịu kéo tốt (thép, cáp cường độ cao) sẽ chiếm phần chịu kéo, vật liệu chịu nén tốt và rẻ (bê tông) sẽ chiếm phần chịu nén. Bê tông dự ứng lực ra đời chính là để bê tông, vốn chịu kéo kém, làm được dầm dài hơn; chi tiết cáp và neo thuộc một chủ đề riêng.
Năm hệ kết cấu chính và phạm vi nhịp thường gặp
Bảng dưới là hình dung chung về khoảng nhịp mà mỗi hệ thường được dùng ở Việt Nam và trên thế giới. Ranh giới không cứng, mỗi dự án còn tuỳ điều kiện cụ thể:
| Hệ kết cấu | Bộ phận chịu lực chính | Khoảng nhịp thường gặp | Hay gặp ở đâu |
|---|---|---|---|
| Cầu dầm giản đơn | Dầm chịu uốn, tựa tự do lên hai gối | Vài mét đến khoảng 40 m | Cầu vượt kênh, cầu cao tốc dạng cạn, cầu nông thôn |
| Cầu dầm liên tục, dầm hộp | Dầm chạy liền qua nhiều trụ | Vài chục đến trên 100 m | Cầu vượt sông vừa, cầu đúc hẫng |
| Cầu khung | Dầm và trụ liền khối | Ngắn đến trung bình | Cầu vượt đường đô thị, cầu cạn |
| Cầu vòm | Vòm chịu nén, chân vòm xô ngang | Rất ngắn (cống vòm) đến vài trăm mét | Hẻm núi, bờ đá; cầu vòm thép trong đô thị |
| Cầu dây văng | Cáp xiên nối thẳng từ tháp xuống dầm | Khoảng 150 m đến trên 500 m | Sông lớn, cửa biển, cần tĩnh không cao |
| Cầu treo dây võng | Cáp chủ võng giữa hai tháp, dây treo đứng | Nhịp lớn nhất, đến hơn một kilômét | Eo biển, vịnh; bản nhỏ làm cầu treo dân sinh |
Ở Việt Nam, những cây cầu quen mặt có đủ các hệ: cầu Long Biên là cầu dàn thép, một dạng cầu dầm rỗng ruột; cầu Mỹ Thuận, cầu Cần Thơ, cầu Nhật Tân là cầu dây văng; cầu Thuận Phước ở Đà Nẵng là cầu treo dây võng; cầu Rồng cũng ở Đà Nẵng là cầu vòm thép. Nhắc tên ở đây chỉ để gắn mỗi hệ với một hình ảnh dễ nhớ.
Cầu dầm: giản đơn, liên tục và vì sao chiếm đa số
Cầu dầm giản đơn là dạng dễ hiểu nhất: mỗi nhịp là một dầm độc lập, hai đầu tựa lên gối, nhịp này không "biết" nhịp bên cạnh. Ưu điểm lớn là dầm có thể đúc sẵn hàng loạt ở bãi, chở ra và cẩu lắp, thi công nhanh, móng lún lệch một chút cũng không gây nội lực phụ. Nhược điểm là mỗi nhịp có một khe nối, nhiều khe thì nhiều chỗ xe chạy qua bị dằn, nhiều chỗ nước lọt xuống gối.
Cầu dầm liên tục cho dầm chạy liền qua nhiều trụ. Mô-men uốn được chia đều hơn giữa nhịp và trên trụ, nên cùng chiều cao dầm có thể vượt nhịp dài hơn, ít khe co giãn hơn, xe chạy êm hơn. Đổi lại, kết cấu nhạy với lún không đều của móng và thi công phức tạp hơn; với nhịp lớn, dầm hộp liên tục thường được làm bằng phương pháp đúc hẫng cân bằng từ đỉnh trụ ra hai phía.
Lý do cầu dầm chiếm phần lớn số cầu là kinh tế: với nhịp dưới vài chục mét, chưa có hệ nào rẻ và dễ làm hơn một hàng dầm bê tông đúc sẵn đặt lên mố trụ. Khi đi trên một tuyến cao tốc đường cạn, gần như mọi nhịp bạn đi qua đều là cầu dầm.
Cầu vòm, cầu khung: khi địa hình và kiến trúc lên tiếng
Cầu vòm cần chân vững. Vòm biến tải trọng thành lực nén dọc theo đường cong, rất hợp với đá và bê tông. Nhưng chân vòm luôn xô ngang ra ngoài, nên vị trí lý tưởng là hẻm núi hai bờ đá cứng. Ở đồng bằng nền đất yếu, người ta làm vòm có thanh căng: một thanh hoặc chính mặt cầu nối hai chân vòm để tự cân bằng lực xô, gọi là vòm ống thép nhồi bê tông hoặc vòm có thanh kéo.
Cầu vòm mặt cầu trên, giữa, dưới. Mặt cầu có thể nằm trên đỉnh vòm (vòm đỡ từ dưới), xuyên qua giữa vòm, hoặc treo dưới vòm bằng các thanh treo. Vị trí mặt cầu được chọn theo tĩnh không bên dưới và cao độ tuyến đường hai đầu.
Cầu khung liền khối. Dầm và trụ đổ liền một khối, không có gối giữa chúng. Kết cấu cứng, ít bảo trì gối, hợp với cầu vượt đô thị cần chiều cao kiến trúc thấp. Đổi lại phải tính kỹ ứng suất do co ngót, từ biến bê tông và nhiệt độ, vì kết cấu không có chỗ "thả" chuyển vị.
Cầu dàn. Dàn thép là cách làm dầm cao mà nhẹ: thay bản bụng đặc bằng các thanh tam giác chỉ chịu kéo hoặc nén. Cầu đường sắt cũ, cầu Bailey quân sự và nhiều cầu lắp ghép nông thôn là cầu dàn.
Cầu dây văng và cầu treo: giống ở cái tháp, khác ở cách treo
Hai loại này hay bị gọi lẫn là "cầu treo". Ở cầu dây văng, mỗi sợi cáp đi thẳng từ tháp xuống một điểm trên dầm, tạo thành hình rẻ quạt hoặc đàn hạc nhìn rất rõ. Dầm mặt cầu bị cáp nén dọc trục, tháp nhận phần lớn tải. Cầu dây văng tự cân bằng giữa hai phía tháp nên không cần khối neo lớn ở bờ, và có thể dựng dần từng đốt từ tháp ra, rất hợp với sông rộng cần giữ luồng tàu trong lúc thi công.
Ở cầu treo dây võng, hai sợi cáp chủ to vắt qua đỉnh tháp, võng xuống giữa nhịp như sợi dây phơi, rồi chạy về hai khối neo chôn sâu vào bờ. Mặt cầu treo vào cáp chủ bằng rất nhiều dây treo thẳng đứng. Hệ này vượt được nhịp lớn nhất, nhưng khối neo đắt và dầm mặt cầu mềm hơn, phải thiết kế kỹ về khí động học để không dao động theo gió.
Cầu treo dân sinh ở miền núi, loại có hai tháp nhỏ, cáp thép và mặt sàn gỗ hay thép, chính là cầu treo dây võng thu nhỏ. Hiểu nguyên lý giúp người dân nhận ra chỗ nào sống còn: đầu neo cáp ở hai bờ, các khoá cáp và dây treo, chứ không chỉ là tấm ván mặt cầu.
Cầu thép, cầu bê tông, cầu tạm, cầu phao: chia theo vật liệu và thời gian dùng
Bên cạnh hệ kết cấu, cầu còn được gọi theo vật liệu và theo thời gian phục vụ. Mỗi lựa chọn kéo theo một kiểu bảo trì khác nhau:
- Cầu bê tông cốt thép thường: dùng cho nhịp ngắn, bản mặt cầu, cống bản. Rẻ, bền nếu lớp bê tông bảo vệ đủ dày và không bị nứt cho nước vào cốt thép.
- Cầu bê tông dự ứng lực: dầm I, dầm T, dầm Super T, dầm hộp; là xương sống của cầu đường bộ hiện nay vì vượt nhịp dài với chi phí bảo trì thấp.
- Cầu thép: nhẹ, lắp nhanh, vượt nhịp lớn với chiều cao dầm thấp, nhưng phải sơn chống gỉ định kỳ; ở vùng ven biển, nước mặn và hơi muối làm chu kỳ sơn lại ngắn hơn.
- Cầu liên hợp thép – bê tông: dầm thép bên dưới, bản bê tông bên trên, liên kết bằng neo chống cắt để hai vật liệu cùng làm việc; tận dụng thép chịu kéo, bê tông chịu nén.
- Cầu tạm, cầu lắp ghép: cầu dàn thép lắp ghép dùng khi cầu cũ hỏng, phục vụ thi công hoặc cứu hộ sau lũ; dựng trong vài ngày đến vài tuần, có tải trọng giới hạn phải cắm biển rõ.
- Cầu phao: mặt cầu đặt trên các phao nổi, dùng ở sông có mực nước dao động và lưu lượng xe không lớn; phải tháo hoặc mở nhịp khi có tàu qua, khi lũ lớn.
Cầu gỗ hiện nay còn chủ yếu ở dạng cầu dân sinh tạm; gỗ mục nhanh ở chỗ tiếp xúc nước và đất, nên tuổi thọ ngắn hơn nhiều so với cách người dùng thường nghĩ.
Kỹ sư chọn loại cầu dựa trên những câu hỏi nào
Không có bảng tra "nhịp bao nhiêu thì cầu gì". Thay vào đó, việc chọn đi qua một loạt câu hỏi mà mỗi câu loại bớt phương án. Đây cũng là những câu chủ đầu tư nhỏ nên hỏi tư vấn thiết kế:
| Câu hỏi | Nó ảnh hưởng thế nào đến lựa chọn |
|---|---|
| Phải vượt bao xa mà không được đặt trụ giữa? | Luồng tàu, lòng sông sâu, đường bên dưới quyết định nhịp chính; nhịp chính quyết định hệ kết cấu |
| Tĩnh không bên dưới cao bao nhiêu? | Tĩnh không lớn kéo theo đường dẫn dài, có khi chọn dầm thấp (thép, dây văng) để giảm cao độ |
| Địa chất móng ra sao? | Đất yếu sâu làm móng đắt, nghiêng về ít trụ, nhịp dài; bờ đá cứng mở cửa cho cầu vòm |
| Thi công thế nào mà không chặn sông, chặn đường? | Đúc hẫng, lao dầm, lắp hẫng dây văng tránh dựng đà giáo dưới lòng sông |
| Ai bảo trì và bằng tiền nào? | Cầu thép cần sơn định kỳ, cầu nhiều khe cần thay khe; cầu nông thôn nên chọn kết cấu ít bảo trì |
| Có yêu cầu kiến trúc, cảnh quan không? | Đô thị và điểm du lịch có thể chấp nhận chi phí cao hơn cho hình dáng; cầu dân sinh ưu tiên bền và rẻ |
Với một cây cầu vượt kênh nội đồng nhịp ngắn, đáp án gần như luôn là cầu dầm bê tông đúc sẵn hoặc cầu bản. Những hệ phức tạp chỉ xuất hiện khi các câu hỏi trên buộc phải như vậy. Thiết kế cụ thể là việc của đơn vị tư vấn có chứng chỉ, theo tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành.
Câu hỏi thường gặp
Cầu dây văng và cầu treo, loại nào chịu được tải nặng hơn?
Không thể so như vậy, vì tải trọng thiết kế của mỗi cầu được định trước theo cấp đường và tiêu chuẩn, chứ không phụ thuộc hệ kết cấu. Hai hệ khác nhau ở khả năng vượt nhịp, độ cứng và cách thi công. Cầu treo dây võng vượt nhịp xa hơn nhưng mềm hơn; cầu dây văng cứng hơn và không cần khối neo lớn ở bờ.
Vì sao nhiều cầu cao tốc dùng toàn dầm ngắn mà không làm nhịp dài cho đẹp?
Vì với cầu cạn trên đất liền, không có luồng tàu hay vật cản bắt buộc phải vượt xa, nên nhịp ngắn bằng dầm đúc sẵn là rẻ nhất và thi công nhanh nhất. Nhịp dài làm dầm cao hơn, nặng hơn, cần thiết bị cẩu lớn hơn mà không đem lại lợi ích nào tương xứng.
Cầu dàn thép như cầu Long Biên có phải là cầu dầm không?
Về cách làm việc thì đúng. Dàn thép cũng chịu uốn như một dầm, chỉ khác là phần bụng được thay bằng các thanh xiên tạo thành tam giác. Nhờ vậy dàn có thể rất cao mà vẫn nhẹ, hợp với cầu đường sắt cần độ cứng lớn và với thời kỳ chưa có bê tông dự ứng lực.
Cầu vòm có làm được ở vùng đất yếu như đồng bằng sông Cửu Long không?
Làm được nếu dùng vòm có thanh căng, tức là có một bộ phận nối hai chân vòm để tự triệt tiêu lực xô ngang, khi đó móng chỉ còn chịu lực thẳng đứng như các cầu khác. Vòm đỡ trực tiếp xuống bờ thì cần nền đá hoặc móng rất lớn, nên ít gặp ở vùng đất yếu.
Cầu phao có an toàn cho xe tải không?
Cầu phao được thiết kế cho một tải trọng giới hạn và thường cắm biển hạn chế tải, tốc độ, khoảng cách giữa các xe. An toàn khi người lái tuân thủ biển và khi đơn vị quản lý kiểm tra phao, liên kết, neo định kỳ, nhất là mùa nước lên. Xe vượt tải là nguyên nhân rủi ro lớn nhất.
Cầu tạm lắp ghép dùng được bao lâu?
Tuỳ hồ sơ của cầu và chế độ kiểm tra, có cầu tạm dùng vài tháng, có nơi dùng nhiều năm. Điều quan trọng là cầu tạm luôn có tải trọng cho phép thấp hơn cầu vĩnh cửu, cần kiểm tra bu lông, chốt, mặt sàn thường xuyên và không nên coi là giải pháp lâu dài khi lưu lượng xe tăng.